Tài liệu Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị tường chắn hố đào sâu công trình ngân hàng vietinbank chi nhánh sóc trăng bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI --------------- NGUYỄN NGỌC THUẬN NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHUYỂN VỊ TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO SÂU CÔNG TRÌNH NGÂN HÀNG VIETINBANK CHI NHÁNH SÓC TRĂNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI --------------- NGUYỄN NGỌC THUẬN NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHUYỂN VỊ TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO SÂU CÔNG TRÌNH NGÂN HÀNG VIETINBANK CHI NHÁNH SÓC TRĂNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÃ SỐ: 60580204 NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS ĐỖ TUẤN NGHĨA HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Nguyễn Ngọc Thuận, học viên cao học lớp CH24ĐKT12, chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng. Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị tường chắn hố đào sâu công trình Ngân hàng Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng bằng phương pháp phần tử hữu hạn” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, tôi không sao chép và kết quả của luận văn này chưa công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu khoa học nào. Sóc Trăng, ngày tháng năm 2017 Tác giả Nguyễn Ngọc Thuận i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, nghiên cứu với sự hướng dẫn tận tình của Tiến sĩ Đỗ Tuấn Nghĩa cùng với sự giúp đỡ của các giảng viên của Trường Đại học Thủy lợi Luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị tường chắn hố đào sâu công trình Ngân hàng Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng bằng phương pháp phần tử hữu hạn” đã được tác giả hoàn thành đúng thời hạn quy định và đảm bảo đầy đủ các yêu cầu trong đề cương được phê duyệt. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Đỗ Tuấn Nghĩa người đã tận tình hướng dẫn, cung cấp thông tin, tài liệu và chỉ ra những định hướng khoa học cần thiết để tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa công trình, Phòng đào tạo Đại học và sau Đại học cùng toàn thể các thầy cô giáo trong trường Đại học Thủy lợi đã giúp đỡ và truyền đạt kiến thức trong thời gian tác giả học tập và nghiên cứu. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và những người đi trước đã chỉ bảo, khích lệ, động viên, ủng hộ nhiệt tình và tạo điều kiện, giúp đỡ cho tác giả về mọi mặt trong quá trình học tập cũng như hoàn thiện luận văn. Tuy đã có những cố gắng song do thời gian có hạn, kiến thức bản thân còn hạn chế nên luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót và tồn tại, tác giả mong nhận được mọi ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo, anh chị em và các bạn đồng nghiệp. ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU ........................................................4 1.1. Khái quát về hố đào sâu............................................................................................4 1.1.1. Tình hình xây dựng hố đào sâu .............................................................................4 1.1.2. Đặc điểm ................................................................................................................8 1.2. Nguyên tắc thiết kế và phân loại kết cấu chắn giữ ...................................................9 1.2.1. Nguyên tắc thiết kế ................................................................................................9 1.2.2. Đặc điểm thiết kế .................................................................................................10 1.2.3. Các dạng tường vây hố đào sâu ...........................................................................12 1.3. Kết luận...................................................................................................................18 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ TƯỜNG CHẮN HỐ ĐÀO MỞ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN .....................................................19 2.1. Phương pháp Phần tử hữu hạn................................................................................19 2.1.1. Ứng dụng .............................................................................................................20 2.1.2. Lịch sử .................................................................................................................20 2.1.3. So sánh PPPTHH với phương pháp sai phân hữu hạn (PPSPHH) ......................21 2.2. Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích chuyển vị tường chắn hố đào (Plaxis 2D) ..............................................................................................................22 2.2.1. Mô hình................................................................................................................23 2.2.2. Những phần tử .....................................................................................................24 2.2.3. Thiết lập dữ liệu đất nền ......................................................................................25 2.2.4. Thiết lập dữ liệu cho dầm ....................................................................................36 2.2.5. Thiết lập đặc trưng vật liệu của vải địa kỹ thuật .................................................37 2.2.6. Thiết lập dữ liệu vật liệu neo ...............................................................................38 2.2.7. Tạo lưới (mesh generation) .................................................................................39 2.2.8. Điều kiện ban đầu (initial conditions) .................................................................41 2.2.9. Điều kiện áp lưc nước (water conditions ) ..........................................................42 2.2.10. Dạng hình học ban đầu (initial geometry configuration) ..................................46 2.3. Kết luận...................................................................................................................47 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU SÂU CHÔN TƯỜNG VÀ TIẾT DIỆN TƯỜNG ĐẾN CHUYỂN VỊ TƯỜNG ..........................................49 iii 3.1. Mô hình hố đào sâu công trình Ngân hàng TMCP Công thương Việt Nam (Vietinbank) chi nhánh Sóc Trăng ................................................................................49 3.1.1. Mô tả đặc điểm công trình ...................................................................................49 3.1.2. Đặc điểm địa chất thủy văn và các thông số thí nghiệm đất nền ........................50 3.1.3. Các giai đoạn thi công tầng hầm công trình ........................................................53 3.1.4. Các thông số đầu vào để lập mô hình hố đào trong Plaxis 2D ............................54 3.1.5. Kết quả phân tích .................................................................................................59 3.2. Ảnh hưởng của chiều sâu chôn tường đến chuyển vị tường ..................................63 3.3. Ảnh hưởng của tiết diện tường đến chuyển vị tường .............................................70 3.4. Kết luận...................................................................................................................74 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU SÂU HỐ MÓNG ĐẾN CHUYỂN VỊ TƯỜNG ................................................................................................76 4.1. Các trường hợp phân tích .......................................................................................76 4.2. Kết quả phân tích ....................................................................................................78 4.3. Kết luận...................................................................................................................84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............85 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................88 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Kênh xả ngầm ngoài khu vực đô thị G-cans thành phố Kasukabe, ngoại ô Tokyo, Nhật Bản. Đây là một trong những hệ thống thoát nước nổi tiếng nhất đồng thời là hệ thống thoát lũ ngầm lớn nhất thế giới..............................................................5 Hình 1.2 Ga Novoslobodskaya nằm trong hệ thống tàu điện ngầm hiện đại ở Moscow, Liên Bang Nga, lần đầu tiên đi vào hoạt động năm 1952 ...............................................5 Hình 1.4 Đường hầm Thủ Thiêm, thành phố Hồ Chí Minh, hầm vượt sông lớn nhất Đông Nam Á, khánh thành 11/2011. Hầm có tổng chiều dài 1.490m, trong đó hầm dìm bao gồm 4 đốt hầm có tổng chiều dài 370m, hầm giao thông hộp đôi rộng 33,3m ........7 Hình 1.5 Hầm B2, khu vực để xe máy cán bộ viên chức của tòa nhà Trung tâm hành chính Đà Nẵng .................................................................................................................7 Hình 1.6 Công trình hố móng ..........................................................................................8 Hình 1.7 Tường cừ Larsen.............................................................................................13 Hình 1.8 Tường vây cọc ximăng đất .............................................................................14 Hình 1.9 Tường vây cọc bản bê tông cốt thép...............................................................15 Hình 1.10 Tường vây hố đào bằng cọc khoan nhồi ......................................................16 Hình 1.11 Tường vây bằng cọc barrette ........................................................................17 Hình 2.1 Cửa sổ thiết lập thông số cơ bản của mô hình ................................................23 Hình 2.2 Vị trí của nút và điểm ứng suất trong phần tử đất ..........................................25 Hình 2.3 Cửa sổ thiết lập thông số đất nền và lớp phân giới (Thông số đất nền) .........31 Hình 2.4 Định nghĩa E0 và E50 .......................................................................................32 Hình 2.5 Các đường tròn ứng suất tới hạn, một chạm vào đường phá hoại Mohr Coulomb ........................................................................................................................33 Hình 2.6 Mặt phá hoại trong không gian ứng suất chính cho đất cát ............................34 Hình 2.7 Cửa sổ thiết lập thông số đất nền và lớp phân giới (Thông số lớp phân giới) .......................................................................................................................................34 Hình 2.8 Cửa số thiết lập thông số tường chắn .............................................................36 Hình 2.9 Cửa sổ thiết lập thông số vật liệu vải địa kỹ thuật .........................................38 Hình 2.10 Cửa sổ thiết lập thông số hệ chống, neo .......................................................38 Hình 2.11 Cửa sổ thiết lập áp lực nước .........................................................................45 Hình 2.12 Cửa sổ tạo ứng suất ban đầu .........................................................................47 Hình 3.1 Phối cảnh công trình Ngân hàng Vietinbank, chi nhánh Sóc Trăng ..............49 Hình 3.2 Mặt bằng mô hình hố đào sâu Vietinbank Sóc Trăng ....................................50 Hình 3.3 Mặt cắt địa chất công trình (hố khoan HK1, HK2, HK3) ..............................53 Hình 3.4 Mặt cắt hố đào công trình ...............................................................................54 v Hình 3.5 Mô hình hố đào công trình trong phần mềm Plaxis 2D .................................54 Hình 3.6 Chuyển vị ngang của tường trong các giai đoạn đào .....................................59 Hình 3.7 Sụt lún mặt đất sau tường theo các giai đoạn đào ..........................................60 Hình 3.8 Hiện trạng công trình Câu lạc bộ hưu trí ........................................................61 Hình 3.9 Đẩy trồi qua các giai đoạn đào .......................................................................61 Hình 3.10 Sự hình thành các điểm chảy dẻo giai đoạn đào 1 .......................................62 Hình 3.11 Sự hình thành các điểm chảy dẻo giai đoạn đào 2 .......................................62 Hình 3.12 Sự hình thành các điểm chảy dẻo giai đoạn đào 3 .......................................63 Hình 3.13 Chuyển vị ngang lớn nhất của tường chắn khi tăng chiều sâu chôn tường ..64 Hình 3.14 Quan hệ chuyển vị ngang lớn nhất của tường chắn và tỷ lệ Hp/He .............65 Hình 3.15 Trường hợp Hp = 11m ..................................................................................66 Hình 3.16 Trường hợp Hp = 13m ..................................................................................66 Hình 3.17 Trường hợp Hp = 15m .................................................................................67 Hình 3.18 Trường hợp Hp = 17m ..................................................................................67 Hình 3.19 Trường hợp Hp = 19m ..................................................................................68 Hình 3.20 Trường hợp Hp = 23m ..................................................................................68 Hình 3.21 Trường hợp Hp = 26m ..................................................................................69 Hình 3.22 Trường hợp Hp = 32,5m ...............................................................................69 Hình 3.23 Chuyển vị ngang lớn nhất đối với từng loại tường chắn ..............................72 Hình 3.24 Quan hệ giữa EI/EIo và chuyển vị tường chắn ............................................73 Hình 3.25 Biểu đồ các điểm chảy dẻo (tường chắn FSP IV) ........................................73 Hình 3.26 Biểu đồ các điểm chảy dẻo (tường chắn SW 500A) ....................................74 Hình 3.27 Biểu đồ các điểm chảy dẻo (tường chắn Barrette D1200) ...........................74 Hình 4.1. Mặt cắt điển hình của các hố đào phân tích ..................................................76 Hình 4.2 Mô hình Plaxis cho trường hợp He = 8m, He = 9m .......................................77 Hình 4.3 Mô hình Plaxis cho trường hợp He = 11m .....................................................77 Hình 4.4 Chuyển vị ngang lớn nhất của tường chắn khi tăng chiều sâu hố móng ........79 Hình 4.5 Quan hệ chuyển vị ngang lớn nhất của tường cừ và chiều sâu hố móng .......80 Hình 4.6 Trường hợp He = 6,5m ...................................................................................81 Hình 4.7 Trường hợp He = 7,0m ...................................................................................81 Hình 4.8 Trường hợp He = 8,0m ...................................................................................82 Hình 4.9 Trường hợp He = 9,0m ...................................................................................82 Hình 4.10 Trường hợp He = 11,0m ...............................................................................83 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất ......................................................51 Bảng 3.1: Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất (tiếp) ............................................52 Bảng 3.2 Thông số đất nền ............................................................................................56 Bảng 3.3 Thông số tường cừ .........................................................................................58 Bảng 3.4 Thông số thanh chống ....................................................................................59 Bảng 3.5 Thông số tường cừ thép FSP ..........................................................................71 Bảng 3.6 Thông số tường cừ ván bêtông cốt thép SW ..................................................71 Bảng 3.7 Thông số tường cừ cọc barrette B25 ..............................................................71 Bảng 4.1 Trình tự thi công ứng với các trường hợp chiều sâu hố móng khác nhau .....78 vii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, tốc độ đô thị hoá của nước ta ngày càng nhanh, quỹ đất đô thị nói chung và của các đô thị lớn nói riêng đã gần cạn kiệt, các không gian xanh, không gian công cộng ngày một thu hẹp... đòi hỏi phải tận dụng cả chiều cao lẫn chiều sâu của không gian đô thị. Tiết kiệm đất đai trong khai thác tài nguyên không gian ngầm đô thị, bố trí hợp lý các công trình ngầm sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển và nâng cao chất lượng sống của đô thị. Sự xuất hiện của các Trung tâm thương mại ngầm quy mô lớn hoặc các dự án Bãi đỗ xe ngầm kết hợp dịch vụ cho thấy nhu cầu xã hội rất lớn. Khai thác và sử dụng không gian ngầm cho phát triển, chỉnh trang đô thị tại Việt Nam như một nguồn tài nguyên không gian rộng lớn là xu hướng tất yếu. Tại các đô thị lớn như Hồ Chí Minh, Hà Nội, Đà Nẵng… thì các công trình có thiết kế cao tầng đều gắn liền với thiết kế tầng hầm nhằm tận dụng triệt để quỹ đất đô thị. Số tầng hầm được thiết kế phổ biến nhất là từ 2-3 tầng, có nhiều công trình phức hợp có 3 - 6 tầng hầm với diện tích lớn như: Tòa nhà Kumho Asiana Plaza, Trung tâm thương mại, văn phòng, căn hộ cho thuê và bãi đậu xe ngầm tại số 70 Lê Thánh Tôn và phần ngầm công viên Chi Lăng; Cao ốc văn phòng, trung tâm thương mại và căn hộ cho thuê tại số 34 Tôn Đức Thắng; Khu phức hợp Eden… Thành phố Sóc Trăng là một đô thị còn non trẻ, quỹ đất xây dựng công trình trong nội ô thành phố tuy còn nhiều nhưng việc đầu tư xây dựng các công trình nhà cao tầng kết hợp tầng hầm tại khu vực trung tâm thành phố đang dần trở nên phổ biến. Với khuynh hướng phát triển mạnh các công trình nhà cao tầng, đặc biệt khi có tầng hầm trong điều kiện địa chất thủy văn trên địa bàn tỉnh là đất yếu bảo hòa nước thì việc nghiên cứu tính toán ổn định của hố đào sâu cần phải được quan tâm, nghiên cứu đúng mức nhằm đảm bảo cho công trình chủ thể và các công trình lân cận được ổn định, tránh được các sự cố đáng tiếc xảy ra trong quá trình thi công xây dựng cũng như khi đưa vào khai thác sử dụng lâu dài. 1 Thi công hố đào sâu làm thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng trong đất nền xung quanh khu vực hố đào và có thể làm thay đổi mực nước ngầm dẫn đến nền đất bị dịch chuyển. Các giải pháp chống đỡ thành hố đào thường được áp dụng là: tường cừ thép, tường cừ cọc xi măng đất, tường cừ barrette. Yêu cầu chung của tường cừ là phải đảm bảo về cường độ cũng như độ ổn định dưới tác dụng của áp lực đất và các loại tải trọng. Bên cạnh đó thì việc hạn chế và đảm bảo chuyển vị của tường cừ trong mức cho phép là hết sức quan trọng. Vì vậy mà việc nghiên cứu chuyển vị của tường cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị của tường hố đào sâu trong công trình là rất cần thiết và cấp bách nhằm dự báo chính xác sự làm việc của tường từ đó đề xuất biện pháp hợp lý, đảm bảo an toàn kĩ thuật và tính kinh tế. Đây cũng chính là tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu. 2. Mục đích của đề tài: - Nghiên cứu việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào dự đoán chuyển vị tường chắn trong thi công hố đào sâu. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hường đến chuyển vị của tường hố đào sâu công trình Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng bao gồm chiều sâu chôn tường, tiết diện tường và chiều sâu hố đào bằng phương pháp phần tử hữu hạn. 3. Cách tiếp cận - Nghiên cứu các lý thuyết về chuyển vị của tường hố đào sâu. - Thu thập các thông tin về hiện trạng, tài liệu địa hình, địa chất, tài liệu thiết kế công trình Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng. - Sử dụng phần mềm Plaxis 2D để phân tích, tính toán chuyển vị, biến dạng của tường chắn trong quá trình thi công đào đất. 4. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu - Sử dụng các thông tin về hiện trạng, tài liệu địa hình, địa chất, tài liệu thiết kế công trình Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng làm công trình nghiên cứu và lập mô hình mô phỏng. 2 - Phương pháp kế thừa: Tổng hợp và áp dụng các lý thuyết đã có liên quan đến vấn đề chuyển vị tường trong hố đào sâu. - Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Plaxis 2D phân tích, tính toán để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị thực tế của tường. 5. Kết quả đạt được - Nắm vững kiến thức về chuyển vị của tường hố đào khi thi công trong điều kiện đất yếu. - Đánh giá cơ bản ảnh hường của chiều sâu chôn tường, tiết diện tường và chiều sâu hố đào đến chuyển vị của tường hố đào. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỐ ĐÀO SÂU 1.1. Khái quát về hố đào sâu 1.1.1. Tình hình xây dựng hố đào sâu Hầu như các thành phố lớn trên thế giới, do cần tiết kiệm đất đai và giá đất ngày càng cao, nên đã tìm cách cải tạo hoặc xây mới các đô thị của mình với ý tưởng chung và triệt để khai thác và sử dụng không gian dưới mặt đất cho nhiều mục đích khác nhau về kinh tế, xã hội, văn hóa, môi trường và có khi cả cho phòng vệ. Một số ngành công nghiệp hiện đại, do dây chuyền công nghệ yêu cầu cũng đã đặt không ít các thiết bị, máy móc bên dưới tầng hầm công trình nằm sâu dưới mặt đất (như nhà máy luyện kim, cán thép, làm phân bón, làm rượu, sản xuất vật liệu xây dựng…). Các trạm bơm lớn, công trình thủy lợi hay thủy điện cũng cần đặt sâu vào lòng đất các bộ phận công trình chức năng của mình với diện tích đến hàng chục nghìn mét vuông và sâu đến hàng trăm mét. Việc xây dựng các công trình nói trên theo xu thế hiện nay đã dẫn đến xuất hiện hàng loạt kiểu hố móng sâu khác nhau, mà để thực hiện chúng, người thiết kế và thi công cần có những biện pháp chắn giữ để bảo vệ thành vách hố và công nghệ đào thích hợp về mặt kỹ thuật - kinh tế cũng như an toàn vệ môi trường và không ảnh hưởng xấu đến công trình lân cận đã xây dựng trước đó. Những loại công trình xây dựng hạ tầng cơ sở đô thị thường gặp hố hoặc hào đào sâu từ đơn giản đến phức tạp như: - Hệ thống cấp nước; - Hệ thống bể chứa và xử lý nước thải; - Ống góp kỹ thuật chung (collector, trong đó đặt các đường ống cấp nước, khí đốt, điện động lực, cáp thông tin…; 4 Hình 1.1 Kênh xả ngầm ngoài khu vực đô thị G-cans thành phố Kasukabe, ngoại ô Tokyo, Nhật Bản. Đây là một trong những hệ thống thoát nước nổi tiếng nhất đồng thời là hệ thống thoát lũ ngầm lớn nhất thế giới. - Nút vượt ngầm cho người đi bộ hoặc phương tiện giao thông nhẹ (kết hợp các kiốt, thương mại, dịch vụ…); Bãi đậu xe, gara ô tô, kho hàng,… - Ga và đường tàu điện ngầm, đường ô tô cao tốc; Hình 1.2 Ga Novoslobodskaya nằm trong hệ thống tàu điện ngầm hiện đại ở Moscow, Liên Bang Nga, lần đầu tiên đi vào hoạt động năm 1952 5 - Văn phòng giao dịch, cung hội nghị, khu triển lãm, trung tâm thương mại…; Hình 1.3 RESO - Khu phức hợp ngầm lớn nhất thế giới, thành phố Montreal, Canada - Công trình phòng vệ dân sự; Trong thế giới hiện đại công trình ngầm không chỉ để giải quyết các vấn đề “nóng” trong phát triển đô thị mà còn phát triển thành những trung tâm văn hóa, thương mại, đạt tới trình độ đỉnh cao của nghệ thuật kiến trúc và chứa đựng những nét đặc trưng của các thành phố như: Khu phức hợp ngầm lớn nhất thế giới RESO tại thành phố Montreal, bang Quebec, Canada, hệ thống tàu điện ngầm ở Moscow, London, Paris, Tokyo, hệ thống cống ngầm thoát nước các thành phố lớn, … Tại Việt Nam, các công trình có tầng hầm cũng bắt đầu xuất hiện từ những năm đầu của thập niên 90, đặc biệt phát triển trong hơn 10 năm trở lại đây nhất là ở các đô thị lớn như thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh. Tuy nhiên, việc khai thác không gian ngầm cho mục đích xây dựng, cải tạo và phát triển đô thị ở nước ta mới chỉ dừng lại ở những không gian đơn lẻ (dưới các khối nhà cao tầng của các khu đô thị), hoặc chủ yếu phục vụ nhu cầu giao thông như hầm đường bộ, hầm để xe tại các trung tâm thương mại… 6 Hình 1.4 Đường hầm Thủ Thiêm, thành phố Hồ Chí Minh, hầm vượt sông lớn nhất Đông Nam Á, khánh thành 11/2011. Hầm có tổng chiều dài 1.490m, trong đó hầm dìm bao gồm 4 đốt hầm có tổng chiều dài 370m, hầm giao thông hộp đôi rộng 33,3m Hình 1.5 Hầm B2, khu vực để xe máy cán bộ viên chức của tòa nhà Trung tâm hành chính Đà Nẵng 7 1.1.2. Đặc điểm Công trình hố móng luôn luôn chịu hệ áp lực và tác động xung quanh như áp lực đất do trọng lượng bản thân cộng với ảnh hưởng của các công trình lân cận; áp lực nước tĩnh và động phụ thuộc vào dao động mực nước ngầm; các sóng ứng suất do các phương tiện giao thông gây ra. Công trình hố móng bao gồm nhiều khâu có quan hệ chặt chẽ với nhau như chắn đất, chống giữ, ngăn nước, hạ mực nước, đào đất . . . trong đó, một khâu nào đó thất bại sẽ dẫn đến cả công trình bị đổ vỡ. Hình 1.6 Công trình hố móng Công trình hố móng có liên quan với tính địa phương, điều kiện địa chất của mỗi vùng khác nhau thì đặc điểm cũng khác nhau. Đào hố móng trong điều kiện đất yếu, mực nước ngầm cao và các điều kiện hiện trường phức tạp rất dễ sinh ra trượt lỡ khối đất, mất ổn định hố móng, gây ra hiện tượng bùn trồi đáy hố móng, gây hư hỏng công trình xây dựng và các công trình lân cận. Về ranh giới phân biệt giữa hố móng nông và hố đào sâu không có quy định rõ rệt, trong thực tế đối với các hố móng từ 6m trở lên được xem là hố đào sâu hoặc những hố móng có độ sâu không quá 6m nhưng địa chất và môi trường xung quanh của hố móng phức tạp thì cũng được ứng xử như là hố đào sâu. Hiện nay, với việc xây dựng ngày càng tăng các công trình nhà cao tầng có khai thác không gian ngầm ở các thành phố lớn, công 8 trình hố móng đang phát triển theo xu hướng có độ sâu lớn hơn, diện tích rộng hơn nên vấn đề đảm bảo ổn định và an toàn thi công đào sâu luôn là bài toán khó, cần phải tuân thủ nghiêm ngặt trong suốt quá trình triển khai dự án từ khâu khảo sát địa chất, thiết kế đến việc triển khai thi công hố đào sâu kết hợp với công tác quan trắc thực tế ngoài hiện trường. 1.2. Nguyên tắc thiết kế và phân loại kết cấu chắn giữ Ranh giới phân biệt giữa hố móng nông và hố móng sâu không có quy định rõ rệt, có quan niệm cho là không quá 5m coi là hố móng sâu, còn trong thực tế thị trường lấy 6m làm ranh giới hố móng nông và hố móng sâu là tương đối phù hợp. Có khi độ sâu hố móng ít hơn 5m nhưng phải đào trong đất có điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn phức tạp cũng phải ứng xử như đối với hố móng sâu. Cuốn sách này chủ yếu giới thiệu về thiết kế và thi công hệ kết cấu chắn giữ trong hố móng sâu, bao gồm việc thiết kế và thi công hệ thống kết cấu tường (cọc) quây giữ có chịu áp lực của nước đất, chắn giữa (hoặc thanh neo đất), trụ với thanh cài, màng chống thấm… 1.2.1. Nguyên tắc thiết kế Nguyên tắc thiết kế kết cấu chắn giữ là: 1/ An toàn tin cậy: Đáp ứng yêu cầu về cường độ bản thân, tính ổn định và và sự biến dạng kết cấu chắn giữ, đảm bảo an toàn cho công trình ở xung quanh; 2/ Tính hợp lí về kinh tế: Dưới tiền đề là bảo đảm an toàn, tin cậy cho kết cấu chắn giữ, phải xác định phương án có hiệu quả kinh tế kỹ thuật rõ ràng trên cơ sở tổng hợp các mặt thời gian, vật liệu, thiết bị, nhân công và bảo vệ môi trường xung quanh; 3/ Thuận lợi và bảo đảm thời gian cho thi công, trên nguyên tắc an toàn tin cậy và kinh tế hợp lí, đáp tối đa những điều thuận lợi cho thi công (như bố trí chắn giữ hợp lí, thuận tiện cho việc đào đất), rút ngắn thời gian thi công. Kết cấu giữ thường chỉ có tính tạm thời, khi móng thi công xong là hết tác dụng. Một số vật liệu làm kết cấu chắn giữ có thể được sử dụng lại, như cọc bản thép và những phương 9 tiện chắn giữ theo kiểu công cụ. Nhưng cũng có một số kết cấu chắn giữ được chôn lâu dài ở trong đất cọc tấm bằng bêtông cốt thép, cọc nhồi, cọc trộn xi măng đất và tường liên tục trong đất. Cũng có cả loại trong khi thi công móng thì làm kết cấu chắn giữ hố móng, thi công xong sẽ trở thành một bộ phận của kết cấu vĩnh cửu, làm thành tường ngoài các phòng ngầm kiểu phức hợp như tường liên tục trong đất. 1.2.2. Đặc điểm thiết kế Đặc điểm của công tác thiết kế công trình chăn giữ hố móng là: 1/ Tính không xác định của ngoại lực: Ngoại lực tác dụng lên các kết cấu chắn giữ (áp dụng chủ động và bị động của đất và áp lực nước) sẽ thay đổi theo điều kiện môi trường, phương pháp thi công và giai đoạn thi công; 2/ Tính không xác định của biến dạng, khống chế biển dạng điều quan trọng trong thiết kế kết cấu chắn giữ nhưng lại có nhiều nhân số ảnh hưởng đến lượng biến dạng này như là: Độ cứng của tường vây, cách bố trí hệ chống (hoặc neo) và đặc tính mang tải của cấu kiện, tính chất đất nền, sự thay đổi của mức nước dưới đất, chất lượng thi công, trình độ quản lí ngoài hiện trường… 3/ Tính chất không xác định của đất; tính chất không đồng nhất của đất nền (hoặc của lớp đất) và chúng cũng không phải là số không đổi, hơn nữa lại có những phương pháp xác định khác nhau (như cắt không có thoát nước…) tùy theo mẫu lấy ở những vị trí và giai đoạn thi công không giống nhau của hố móng, tính chất đất cũng thay đổi, sự tác dụng của đất nền lên kết cấu chắn giữ hoặc lực chắn giữ của nó cũng theo đó mà thay đổi; 4/ Những nhân tố ngẫu nhiên gây ra sự thay đổi, những ngày thay đổi ngoài ý muốn của sự phân bố áp lực đất trên hiện trường thi công, sự không nắm vững những chướng ngại vật trong lòng đât (ví dụ tuyến đường ống đã cũ nát), những thay đổi của môi trường xung quanh… đều có ảnh hưởng đến việc thi công và sử dụng hố đào sâu một cách bình thường. Do những nhân tố khó xác định chính xác nói trên nêu một xu hướng mới trong thiết kế hố đào theo lí thuyết phân tích độ rủi ro (Malcolm Puller, 1996). 10 Casagrande nhấn mạnh rằng các rủi ro được tổng kết từ nhiều dự án, sự tồn tại của chúng phải được thừa nhận, và đang từng bước sử dụng để diễn tả một sự cân bằng giữa tính kinh tế và sự an toàn; các rủi ro này phải được xem xét một cách có hệ thống Casagrande định nghĩa “rủi ro tính toán” gồm hai thành phần: a) Việc sử dụng những kiến thức chưa hoàn chỉnh, các chỉ dẫn đánh giá và kinh nghiệm để dự tính phạm vi có thể với liều lượng thích hợp để đưa vào giải quyết vấn đề. b) Các quyết định, trong phạm vi phù hợp về an toàn hoặc mức độ rủi ro, được kể tới trong các yếu tố kinh tế và mức độ của tổn thất từ các phá hoại. Casagrande không định lượng các rủi ro. Sau đó, Whitman đã chỉ ra những ưu điểm đáng quan tâm của lý thuyết độ tin cậy và xác suất nhưng nhấn mạnh rằng việc sử dụng những lí thuyết như vậy không thể thay thế được cho các đo đạc vật lí và các phân tích công trình. Cuối cùng, Whitman cho rằng sự thỏa mãn các giá trị về rủi ro sẽ được trả lời theo 2 cách: a) Nếu xác suất phá hoại tương đối lớn (0,05 hoặc hơn) dưới tải trọng thiết kế cho phép, rủi ro này có thể được đánh giá (bằng lí thuyết độ tin cậy) với độ chính xác đủ để tạo ra các quyết định. Trạng thái này chỉ được áp dụng khi quan tâm tới tổn thất về kinh tế và không an toàn. b) Nếu xác suất phá hoại rất nhỏ (nhỏ hơn 0,001) dưới tải trọng thiết kế cho phép, rủi ro này không thể đánh giá được bằng phân tích. Mặc dù vậy, việc tạo ra một giá trị thông thường của xác suất phá hoại có thể được trợ giúp nhiều từ các biểu biết về rủi ro và những gì tốt nhất có thể làm để giảm thiểu chúng. Việc thiết kế nhiều dự án về hố đào sâu phải nằm trong dạng thức hai khi chấp nhận xác suất phá hoại phải rất nhỏ bởi các rủi ro trong đời sống. Whitman đã minh họa trong các loại báo của ống các ứng dụng lí thuyết độ tin cậy để kiểm tra một cách có hệ thống và các lỗi ngẫu nhiên khi đánh giá các rủi ro trong ổn định mái dốc, các yếu tố an toàn trong phân tích rủi ro của sự hóa lỏng và việc sử dụng kĩ thuật phân tích hệ thống để định lượng rủi ro trong một số dự án. Các ví dụ về đánh giá rủi ro đã được tiến hành cho một 11